Síntese de pyrazole dependente de pH, Imidazol e Isoindolone Dipyrrinone Fluorophores usando uma Abordagem de Condensação Claisen-Schmidt
Summary
A reação de condensação de Claisen-Schmidt é uma metodologia importante para a geração de compostos aromáticos bicíclicos conjugados com ponte de methine. Através da utilização de uma variante mediada pela base da reação aldol, uma gama de moléculas fluorescentes e/ou biologicamente relevantes pode ser acessada através de uma abordagem sintética geralmente barata e operacionalmente simples.
Abstract
Compostos aromáticos bicíclicos conjugados com ponte de methine são constituintes comuns de uma gama de moléculas biologicamente relevantes, como porfirinas, dipírrinones e fármacos. Além disso, A rotação restrita desses sistemas muitas vezes resulta em sistemas altamente a moderadamente fluorescentes, como observado em 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pirimidin-3-ones, xanthoglows, análogos pirroloindolizinedionos, analógicos BODIPY, e os sistemas de anel fenólico e imidazolinone da Proteína Fluorescente Verde (GFP). Este manuscrito descreve um método barato e operacionalmente simples de realizar uma condensação claisen-Schmidt para gerar uma série de piraole/imidazol/imidazol/isoindolone dipyrrinone fluorescente. Embora a metodologia ilustre a síntese de análogos dipyrrinone, ela pode ser traduzida para produzir uma ampla gama de compostos aromáticos bicitílicos conjugados. A reação de condensação de Claisen-Schmidt utilizada neste método é limitada no escopo de nucleófilos e eletrofilos que são enolizáveis em condições básicas (componente nucleófilo) e aldeídos não enolizáveis (componente eletrophile). Além disso, tanto os reagentes nucleofílicos quanto eletrofílicos devem conter grupos funcionais que não reagirão inadvertidamente com hidróxido. Apesar dessas limitações, essa metodologia oferece acesso a sistemas completamente novos que podem ser empregados como sondas biológicas ou moleculares.
Introduction
Uma série de sistemas bicíclicos conjugados, nos quais dois anéis aromáticos são ligados por uma ponte monomethine, passam por isomerização via rotação de vínculos, quando animados com um fóton (Figura 1A)1,2,3,4,5. O isômero animado geralmente relaxará para o estado terrestre através de processos de decomposição não radiativa6. Se a barreira energética para a rotação de títulos for aumentada em grande medida, é possível restringir ou impedir a fotoisomerização. Em vez disso, a excitação fotônica resulta em um estado singlet animado que muitas vezes relaxa via fluorescência em vez de decadência não radiativa(Figura 1B). A fotoisomerização de contenção é mais comumente realizada restringindo mecanicamente a rotação de ligações através da amarração dos dois sistemas de anéis aromáticos por ligações covalentes, bloqueando assim a molécula em um estado isomerico particular. Esta abordagem tem sido utilizada para criar vários diferentes linálogos tricíclicos tricíclicos e dipyrrolemetanos como: 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones(1), xan Os análogos(2)6,7,análogos pirroloindolizinedione(3)8, e os análogos BODIPY9 (4, Figura 2) pelos quais os sistemas de anel pirrolidina e/ou pirrole estão amarrados com metileno, carbonil, ou linkers de boro difluoro. Normalmente, 1–4 possuem ΦF > 0,7 sugerindo que esses sistemas são muito eficientes como unidades fluoródricas.
Também é possível restringir a fotoisomerização através de meios que não a ligação covalente dos sistemas de anéis. Por exemplo, os anéis fenólicos e imidazolinona(Figura 2)da Proteína Fluorescente Verde (GFP) estão restritos à rotação pelo ambiente proteico; a configuração restritiva aumenta o rendimento quântico em três ordens de magnitude em comparação com a mesma unidade cromófora na solução livre10. Acredita-se que o andaime proteico de GFP fornece uma barreira rotacional através dos efeitos estericos e eletrostáticos11. Recentemente, nosso grupo em colaboração com o grupo Odoh na Universidade de Nevada, Reno descobriu outro sistema fluoróforo que tem semelhança estrutural com os sistemas xanthoglow baseados em dipyrrinone(Figura 2)12. Estes análogos de dipyrrinone, no entanto, diferem do sistema xanthoglow naquela ligação de hidrogênio intramolecular, em vez de ligações covalentes, deter a fotoisomerização e resultar em um sistema motocíclico fluorescente. Além disso, os análogos pirázio, imidazol e dipyrrinone isoindolone podem se ligar hidrogênio em estados protoados e desprotosados; a desprotonação resulta na mudança vermelha tanto dos comprimentos de onda de excitação quanto das emissões, provavelmente devido a uma mudança na natureza eletrônica do sistema. Embora a ligação de hidrogênio tenha sido relatada para aumentar os rendimentos quânticos embora a rotação restrita13,14,15,16, não estamos cientes de qualquer outro sistema fluoroforeiro no qual a isomerização restrita serve como um modo de fluorescência em ambos os estados protonsados e desprotosados da molécula. Portanto, esses fluoroforos de dipyrrinone dependentes de pH são únicos a esse respeito.
Neste vídeo, focamos na síntese e caracterização química da série analógica fluorescente dipyrrinone. Em particular, há uma ênfase na metodologia de condensação Claisen-Schmidt que foi usada para construir a série completa de análogos fluorescentes. Essa reação se baseia na geração de um íon enolate de enolate mediado pela base que ataca um grupo de aldeído, para produzir um álcool que posteriormente passa por eliminação. Para a série analógica dipirorinona, uma pirrolinona/isoindolone é convertida em um enolato para facilitar um ataque a um grupo de aldeído ligado a um anel pirazol ou imidazol(Figura 3); após a eliminação, forma-se um sistema bicíclico totalmente conjugado, ligado por uma ponte methine. Vale ressaltar que toda a série de análogos dipyrrinone pode ser construída a partir de materiais comerciais prontamente disponíveis e pode ser produzida em uma única sequência de reação de um pote tipicamente em rendimentos moderados a altos (os rendimentos variam de aproximadamente 50-95%). Uma vez que a maioria dos análogos de dipirorinono são de natureza altamente cristalina, muito pouca purificação fora das condições padrão de trabalho é necessária para produzir amostras analiticamente puras. Consequentemente, este sistema fluorforeiro requer apenas alguns passos para acessar a partir de materiais comerciais prontamente disponíveis e pode ser sintetizado, purificado e preparado para estudos analíticos ou biológicos em um período de tempo relativamente curto.
Protocol
Representative Results
Discussion
A abordagem de condensação claisen-Schmidt fornece um meio bastante robusto de gerar pirazole, imidazol e fluorophores de dipyrrinone isoindolone através de um protocolo relativamente simplista operacionalmente. Embora a síntese dos análogos fluorescentes dipyrrinone tenha sido o foco deste estudo, deve-se notar que condições semelhantes podem ser aplicadas para acessar outros sistemas de anéis ligados à methine bicicíclica, como dipyrrinones23,24,…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. e N.B. agradecem ao NIH (2P20 GM103440-14A1) por seu generoso financiamento, bem como Jungjae Koh e a Universidade de Nevada, Las Vegas por sua ajuda na aquisição de 1H e 13C NMR. Além disso, gostaríamos de agradecer aos alunos de mídia visual da NSC, Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs e Alistair Cooper por sua ajuda nos processos de filmagem e animação dentro das partes cinematográficas deste manuscrito.
Materials
| 3-ethyl-4-methyl-3-pyrrolin-2-one | Combi-Blocks | [766-36-9] | Yellow solid reagent |
| isoindolin-1-one | ArkPharm | [480-91-1] | Off-white solid reagent |
| 5-bromoisoindolin-1-one | Combi-Blocks | [552330-86-6] | Pink solid reagent |
| 2-formylimidazole | Combi-Blocks | [10111-08-7 ] | Off-white solid reagent |
| Imidazole-4-carbaldehyde | ArkPharm | [3034-50-2] | Solid reagent |
| 1-H-pyrazole-4-carbaldehyde | Oakwood Chemicals | [35344-95-7] | Solid reagent |
| 1-H-pyrazole-5-carbaldehyde | Matrix Scientific | [3920-50-1] | Solid reagent |
| Solid KOH Pellets | BeanTown Chemicals | [1310-58-3] | White solid pellets |
| Siliflash Silica Gel | Scilicycle | R12030B | Fine white powder |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) (x10) | Growcells | MRGF-6235 | Colorless translucent liquid |
| Beckman Coulter DU-800 UV/Vis Spectrophotometer and Software | Beckman Coulter | N/A | Spectroscopy Instrument and Software |
| Fluoromax-4 Spectrofluorometer | Horiba Scientific | N/A | Spectroscopy Instrument |
| FluorEssence Fluoremetry Software V3.5 | Horiba Scientific | N/A | Spectroscopy Software |
| Finnpipette II Micropipette (sizes: 100-1,000, 20-200, and 0.5-10 µL) | Fischerbrand | N/A | Equipment |
| Wilmad-LabGlass Rotary Evaporator (Model: WG-EV311-V-PLUS) | SP Scienceware | N/A | Equipment |
| DuoSeal Vacuum Pump (Model Number: 1405) | Welch | N/A | Equipment |
| GraphPad Prism 4 | GraphPad | N/A | Data Analysis Software |
| SympHony pH Meter (Model: Sb70P) | VWR | N/A | Equipment |
Riferimenti
- Abbandonato, G., et al. Cis-trans photoisomerization properties of GFP chromophore analogs. European Biophysics Journal. 40 (11), 1205-1214 (2011).
- Funakoshi, H., et al. Spectroscopic studies on merocyanine photoisomers. IV. Catalytic isomerization of photoisomers of merocyanine derivatives in protic solvents. Nippon Kagaku Kaishi. (9), 1516-1522 (1989).
- Puzicha, G., Shrout, D. P., Lightner, D. A. Synthesis and properties of homomologated and contracted dipyrrinone analogs of xanthobilirubic acid. Journal of Heterocyclic Chemistry. 27 (7), 2117-2123 (1990).
- Bonnett, R., Hamzetash, D., Asuncion Valles, M. Propentdyopents [5-(2-oxo-2H-pyrrol-5-ylmethylene)pyrrol-2(5H)-ones] and related compounds. Part 2. The Z E photoisomerization of pyrromethenone systems. Journal of the Chemical Society, Perkins Transactions. 1 (6), 1383-1388 (1987).
- Tikhomirova, K., Anisimov, A., Khoroshutin, A. Biscyclohexane-Annulated Diethyl Dipyrrindicarboxylates: Observation of a Dipyrrin Form with Absent Visible Absorption. European Journal of Organic Chemistry. 2012 (11), 2201-2207 (2012).
- Brower, J. O., Lightner, D. A. Synthesis and spectroscopic properties of a new class of strongly fluorescent dipyrrinones. Journal of Organic Chemistry. 67 (8), 2713-2716 (2002).
- Woydziak, Z. R., Boiadjiev, S. E., Norona, W. S., McDonagh, A. F., Lightner, D. A. Synthesis and Hepatic Transport of Strongly Fluorescent Cholephilic Dipyrrinones. Journal of Organic Chemistry. 70 (21), 8417-8423 (2005).
- Jarvis, T., et al. Pyrrole β-amides: Synthesis and characterization of a dipyrrinone carboxylic acid and an N-Confused fluorescent dipyrrinone. Tetrahedron. 74 (14), 1698-1704 (2018).
- Bodio, E., Denat, F., Goze, C. BODIPYS and aza-BODIPY derivatives as promising fluorophores for in vivo molecular imaging and theranostic applications. Journal of Porphyrins and Phthalocyanines. 23, 1159-1183 (2019).
- Acharya, A., et al. Photoinduced Chemistry in Fluorescent Proteins: Curse or Blessing. Chemical Reviews. 117 (2), 758-795 (2017).
- Romei, M. G., Lin, C. -. Y., Mathews, I. I., Boxer, S. G. Electrostatic control of photoisomerization pathways in proteins. Science. 367 (6473), 76-79 (2020).
- Benson, N., Suleiman, O., Odoh, S. O., Woydziak, Z. Ryrazole, Imidazole, and Isoindolone Dipyrrinone Analogues: pH-Dependent Fluorophores That Red-Shift Emission Frequencies in a Basic Solution. Journal of Organic Chemistry. 84 (18), 11856-11862 (2019).
- Xie, P., Gao, G., Liu, J., Jin, Q., Yang, G. A New Turn on Fluorescent Probe for Selective Detection of Cysteine/Homocysteine. Journal of Fluorescence. 25 (5), 1315-1321 (2015).
- Alty, I. G., et al. Intramolecular Hydrogen-Bonding Effects on the Fluorescence of PRODAN Derivatives. Journal of Physical Chemistry A. 120 (20), 3518-3523 (2016).
- Yang, Y., Li, D., Li, C., Liu, Y. F., Jiang, K. Hydrogen bond strengthening induces fluorescence quenching of PRODAN derivative by turning on twisted intramolecular charge transfer. Spectrochimica Acta, Part A. 187, 68-74 (2017).
- Zhang, L., Liu, J., Gao, J., Zhang, F., Ding, L. High solid fluorescence of a pyrazoline derivative through hydrogen bonding. Molecules. 22 (8), 1 (2017).
- Williams, A. T. R., Winfield, S. A., Miller, J. N. Relative fluorescence quantum yields using a computer-controlled luminescence spectrometer. Analyst. 108 (1290), 1067-1071 (1983).
- Eaton, D. F. Reference materials for fluorescence measurement. Pure and Applied Chemistry. 60 (7), 1107-1114 (1988).
- Dawson, W. R., Windsor, M. W. Fluorescence yields of aromatic compounds. Journal of Physical Chemistry. 72 (9), 3251-3260 (1968).
- Zhang, X. -. F., Zhang, J., Lu, X. The Fluorescence Properties of Three Rhodamine Dye Analogues: Acridine Red, Pyronin Y and Pyronin B. Journal of Fluorescence. 25 (4), 1151-1158 (2015).
- Zanker, V., Rammensee, H., Haibach, T. Measurements of the relative quantum yields of the fluorescence of acridine and fluorescein dyes. Zeitschrift für Angewandte Physik. 10, 357-361 (1958).
- Mujumdar, R. B., Ernst, L. A., Mujumdar, S. R., Lewis, C. J., Waggoner, A. S. Cyanine dye labeling reagents: Sulfoindocyanine succinimidyl esters. Bioconjugate Chemistry. 4 (2), 105-111 (1993).
- Battersby, A. R., Dutton, C. J., Fookes, C. J. R. Synthetic studies relevant to biosynthetic research on vitamin B12. Part 7. Synthesis of (±)-bonellin dimethyl ester. Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions. 1 (6), 1569-1576 (1988).
- Pfeiffer, W. P., Lightner, D. A. (m.n)-Homorubins: syntheses and structures. Monatschfte für Chemie. 145 (11), 1777-1801 (2014).
- Huggins, M. T., Musto, C., Munro, L., Catalano, V. J. Molecular recognition studies with a simple dipyrrinone. Tetrahedron. 63 (52), 12994-12999 (2007).
- Groselj, U., et al. Synthesis of Spiro-δ2-Pyrrolin-4-One Pseudo Enantiomers via an Organocatalyzed Sulfa-Michael/Aldol Domino Sequence. Advanced Synthesis & Catalyst. 361 (22), 5118-5126 (2019).
- El-Shwiniy, W. H., Shehab, W. S., Mohamed, S. F., Ibrahium, H. G. Synthesis and cytotoxic evaluation of some substituted pyrazole zirconium(IV) complexes and their biological assay. Applied Organometallic Chemistry. 32 (10), (2018).
- Murray, L., O’Farrell, A. -. M., Abrams, T. Preparation of indolinone compounds for treatment of excessive osteolysis. US Patent. , (2004).
- Lozinskaya, N. A., et al. Synthesis and biological evaluation of 3-substituted 2-oxindole derivatives as new glycogen synthase kinase 3β inhibitors. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 27 (9), 1804-1817 (2019).
- Montforts, F. P., Schwartz, U. M. A directed synthesis of the chlorin system. Liebigs Annalen der Chemie. (6), 1228-1253 (1985).
- Uddin, M. I., Thirumalairajan, S., Crawford, S. M., Cameron, T. S., Thompson, A. Improved synthetic route to C-ring ester-functionalized prodigiosenes. Synlett. (17), 2561-2564 (2010).
- Brower, J. O., Lightner, D. A., McDonagh, A. F. Aromatic congeners of bilirubin: synthesis, stereochemistry, glucuronidation and hepatic transport. Tetrahedron. 57 (37), 7813-7827 (2001).
- Clift, M. D., Thomson, R. J. Development of a Merged Conjugate Addition/Oxidative Coupling Sequence. Application to the Enantioselective Total Synthesis of Metacycloprodigiosin and Prodigiosin R1. Journal of the American Chemical Society. 131 (40), 14579-14583 (2009).
- Brower, J. O., Lightner, D. A., McDonagh, A. F. Synthesis of a New Lipophilic Bilirubin. Conformation, Transhepatic Transport and Glucuronidation. Tetrahedron. 56 (40), 7869-7883 (2000).
